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  • 由于频繁与人体接触极易受到静电放电(ESD)的冲击,如果没有选择合适的保护器件,可能会造成机器性能不稳定,或者损坏。
  • ESD(Electrostatic Discharge Protection Devices),静电保护元器件,又称瞬态电压抑制二极管阵列(TVS Array),是由多个TVS晶粒或二极管采用不同的布局设计成具有特定功能的多路或单路ESD保护器件,主要应用于...

    一、ESD静电二极管工作原理
    ESD(Electrostatic Discharge Protection Devices),静电保护元器件,又称瞬态电压抑制二极管阵列(TVS Array),是由多个TVS晶粒或二极管采用不同的布局设计成具有特定功能的多路或单路ESD保护器件,主要应用于各类通信接口静电保护,比如USB、HDMI、RS485、RS232、VGA、RJ11、RJ45、BNC、SIM、SD等接口中。ESD静电保护器件,封装形式多样,从单路的SOD-323到多路的SOT-23、SOT-143、SOT23-6L、SOIC-8、QFN-10等。可以根据电路板布局及接口类型选择不同封装形式的ESD静电保护二极管。
    ESD产品主要分为五大类:
    • 单通道ESD和EOS保护器件
    • 低电容ESD静电二极管
    • 标准电容ESD静电二极管
    • 低压ESD静电二极管
    • 高功率ESD静电二极管 • SM712 • PSM712
    二、ESD静电二极管特性
    • 低电容,最低可达到零点几皮法;
    • 快速响应时间:通常小于1.0PS;
    • 体积小,小型化器件,节约PCB空间;
    • 工作电压可以根据IC的工作电压设计,比如:2.8V、3.3V、5V、12V、15V等等;
    • 灵活度高,可以根据应用需求设计电容、封装形式、浪涌承受能力等参数;
    • 封装形式多样化,封装有:QFN-0201、SOD-882、DFN1006-3L、SOT-523、SOD-523、QFN-10、SOD-123S、SOD-323、 SOT-23、SOT-143、SOT-363、SOT23-6L、SOIC-8、SOIC-16 等;
    三、ESD静电二极管选型指南
    1)ESD静电二极管的截止电压要大于电路中最高工作电压;
    2)脉冲峰值电流IPP 和最大箝位电压VC 的选择,要根据线路上可能出现的最大浪涌电流来选择合适IPP的型号,需要注意的是,此时的VC 应小于被保护晶片所能耐受的最大峰值电压;
    3)用于信号传输电路保护时,一定要注意所传输信号的频率或传输速率,当信号频率或传输速率较高时,应选用低电容系列的ESD静电二极管;
    4)根据电路设计布局及被保护线路数选择合适的封装。ESD封装的大小从一定程度上可以反应器件的防护等级大小,一般封装越大的器件可容纳的ESD芯片面积也越大,防护等级也越高,反之亦然。
    四、ESD静电二极管参数详解
    • VRWM:反向截止电压、通俗地讲,就是ESD允许施加的最大工作电压,在该电压下ESD处于截止状态,此时ESD的漏电流很小,为几微安甚至更低。
    • VBR:击穿电压,击穿电压是ESD要开始动作(雪崩击穿)的电压,一般在规定的电流下测量,通常在大小为1mA的 电流下测量。
    • IR:反向漏电流,即在ESD器件两端施加VRWM电压下测得ESD的漏电流。
    • IPP:峰值脉冲电流,一般采用8/20μs的波形测量。
    • VC: 钳位电压,在给定大小的IPP下测得ESD两端的电压。大部分ESD产品VC与VBR及IPP成正比关系。
    • C J:结电容,ESD的结电容与ESD的芯片面积、工作电压有关系。对于相同电压ESD产品,芯片面积越大结电容越大;对于相同芯片面积的ESD,工作电压越高结电容就越低。
    五、ESD静电二极管选型事项
    1)ESD一般用于各类通信端口静电防护,在一些高速数据线路,比如USB3.0、HDMI、IEEE1394等接口,ESD静电保护二极管的结电容应尽量选择小的,以避免影响通信质量;
    2)ESD有单向(A)和双向(C)之分,根据工作的信号进行选择,单极性的信号可以选择单向的 ESD或双向的ESD, 双极性的信号要选择双向的ESD;
    六、ESD静电二极管典型应用
    ESD静电保护二极管广泛应用于通信、安防、工业、汽车、消费类产品、智能穿戴设备等电子产品的通信线及I/O口等静电保护。

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  • TVS瞬态抑制二极管和ESD静电二极管,这两者工作原理是一样,只是在功率、...2)ESD保护二极管,主要应用于板级保护;TVS二极管用于初级和次级保护。 3)再选用ESD静电二极管时,更多看的是ESD二极管的的ESD ratin...

    TVS瞬态抑制二极管和ESD静电二极管,这两者工作原理是一样,只是在功率、应用场合、封装形式等方面截然不同,具体表现在:
    1)ESD静电二极管,主要功能是防静电,然而防静电要求电容值低,一般在1–3.5PF之间最好;而TVS二极管的电容值却比较高。

    2)ESD保护二极管,主要应用于板级保护;TVS二极管用于初级和次级保护。

    3)再选用ESD静电二极管时,更多看的是ESD二极管的的ESD rating (HBM/MM)和IEC61000-4-2的LEVEL,高速的USB和I/O非常重视ESD二极管的C;而选用TVS二极管时,看的是功率和封装形式;

    在实际应用中,二者通常相辅相成,紧密相连,各自发挥优势,更有效地为电路安全保驾护航!更多关于电路保护器件产品详情和解决方案设计问题,可咨询专业的技术人员。

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    本文转自网络

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  • 1.稳压二极管 正向导通电压跟普通二级管一样约为0.7v,反向状态下在临界电压之前截止,在达到临界电压的条件下会处于导通的状态,...稳压二极管原理: 稳压二极管的伏安特性曲线的正向特性和普通二极管差不多,反向...

    1.稳压二极管

    正向导通电压跟普通二级管一样约为0.7v,反向状态下在临界电压之前截止,在达到临界电压的条件下会处于导通的状态,电压也不再升高,所以用在重要元器件上,起到稳压作用。

    稳压二极管主要利用其反向击穿时U-I曲线很陡峭这个特性,所以它工作在反偏状态。

    稳压二极管,英文名称Zener diode,又叫齐纳二极管。

    稳压二极管原理:

    稳压二极管的伏安特性曲线的正向特性和普通二极管差不多,反向特性是在反向电压低于反向击穿电压时,反向电阻很大,反向漏电流极小。但是,当反向电压临近反向电压的临界值时,反向电流骤然增大,称为击穿,在这一临界击穿点上,反向电阻骤然降至很小值。尽管电流在很大的范围内变化,而二极管两端的电压却基本上稳定在击穿电压附近,从而实现了二极管的稳压功能。

    2.肖特基二极管正向导通电压很低,只有0.4v,反向在击穿电压之前不会导通,起到快速反应开关的作用。

    肖特基二极管正向导通时压降比较小。

    肖特基二极管用于整流,正向接入电路,有电流值很大的型号

    稳压二极管多是雪崩型,用于稳压,反向接入电路,一般工作电流较小,适用于对稳压精度不是很高工作电流不是很大的场合。

    肖特基二极管是以其发明人肖特基博士(Schottky)命名的,SBD是肖特基势垒二极管(SchottkyBarrierDiode,缩写成SBD)的简称。SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的,而是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的。因此,SBD也称为金属-半导体(接触)二极管或表面势垒二极管,它是一种热载流子二极管。

    3.TVS管

    TVS(TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR)或称瞬变电压抑制二极管

    当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时,它能以极高的速度(最高达1*10^-12秒)使其阻抗骤然降低,同时吸收一个大电流,将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上,从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。 TVS的反应速度比RC回路快10E-12s,可不用考虑TVS的击穿电压VBR,反向临界电压VWM,最大峰值脉冲电流IPP和最大箝位电压VC及峰值脉冲功率PP. 选择VWM等于或大于电路工作电压,VC为小于保护器件的耐压值,能测量最好(IPP),或估计出脉冲的功率,选功率较大的TVS。

    如果是使用的话,TVS有二极管类,和压敏电阻类。我个人认为压敏电阻类更有优势,目前广泛用于手机,LCD模组,及一些比较精密的手持设备。特别是出口欧洲的产品一般都要加,来作为静电防护的主要手段之一。

    TVS管的四大应用:
    1、TVS管在TN电源系统的应用

    雷电过电压波、负载开关等人为操作错误引起的过电压容易通过供电线路侵入电气电子设备内部,造 成电气电子设备失效、误动作,甚至造成设备的永久性损坏,造成严重经济损失。通过在电源线路上安装浪涌吸收装置MOV和TVS,实施两级保护,并对L、N 线进行共模、差模保护。具体做法是在线路的前端安装MOV作为第一级SPD保护,泄放大部分雷电流,在线路的末端(设备前端)安装大功率TVS管作为第二 级SPD保护,进一步削弱过电压波幅值,将电网电压降至E/I安全耐压范围之内。要注意的是,MOV与TVS应达到电压和能量的协调与配合,AB之间的线 路长度不应小于5 m,否则应增加线路长度或安装退耦器件。

    2、TVS管在网络信号线路的应用

    TVS管不仅可以用于电源系统的浪涌防护,还可以用于信号线路的浪涌保护,采用气体放电管GDT与TVS管组合成信号浪涌保护器,其特点是反应快,漏流小,几乎对信号无损耗,可以对高速网络线路提供安全、可靠的保护。

    3、TVS管在直流电源系统的应用

    一台普通PC电脑的供电电源电路,市电AC 220 V经过变压器降压至AC 20 V,再经调制整流电路,输出DC 10 V 直流电源,接入负载。通过在变压器输出端安装双向瞬态电压抑制器TVS1,吸收L 及N 线的瞬时冲击脉冲电流,将电路电压箝制在安全电压水平,TVS1可以保护变压器后端整流器及其他电路元器件。在整流器后的直流电源输出端安装单向瞬态电压 抑制器TVS2,用于保护直流负载免受过电压电电流冲击。

    4、TVS管在晶体管电路的应用

    晶体三极管作为电流控制型器 件,是电子集成电路中的重要组成部分,可分为NPN 管和PNP 管两类,应用于开关电路、放大电路和稳压电路。为了使晶体管电路免受ESD/EFT(静电放电/电快速瞬变脉冲群)等浪涌电压的干扰,在电路的输入 端和输出端分别加入TVS1、TVS2进行保护。

    名词解释:

    1、最小击穿电压VBR: VBR是TVS最小的击穿电压,在25℃时,低于这个电压TVS是不会发生雪崩的。当TVS流过规定的1mA电流(IR)时,加于TVS两极的电压为其最小击穿电压VBR。按TVS的VBR与标准值的离散程度,可把VBR分为5%和10%两种。

    2、额定反向关断电压VWM: VWM这是二极管在正常状态时可承受的电压,此电压应大于或等于被保护电路的正常工作电压,否则二极管会不断截止回路电压;但它又需要尽量与被保护回路的正常工作电压接近,这样才不会在TVS工作以前使整个回路面对过压威胁。

    3、最大箝位电压VC: 当持续时间为20mS的脉冲峰值电流IPP流过TVS时,在其两端出现的最大峰值电压为VC。

    4、电容量: 电容量是由TVS雪崩结截面决定的,是在特定的1MHz频率下测得的。大小与TVS的电流承受能力成正比,太大将使信号衰减。因此,结电容是数据接口电路选用TVS的重要参数。

    注:TVS二极管的选型 最大箝位电压VC要小于电路允许的最大安全电压。 截止电压VRWM大于电路的最大工作电压,一般可以选择VRWM等于或者略大于电路的最大工作电压。 额定的最大脉冲功率(TVS参数中给出) PM要大于最大瞬态浪涌功率。

    如:sim卡座端的静电保护在这里插入图片描述

    为了提供良好的 ESD 保护,建议添加 TVS 二极管阵列。最重要的规则是将 ESD 保护装置放置
    在靠近 SIM 卡连接器处,并确保被保护的 SIM 卡接口信号线首先通过 ESD 保护装置,然后通
    向模块。22Ω 电阻应在模块和 SIM 卡之间串联连接,抑制 EMI 杂散传输,增强 ESD 保护。SIM
    卡外围电路应该靠近 SIM 卡连接器,将所有信号线上的旁路电容放置在 SIM 卡附近,以改善
    EMI 抑制效果。

    4.ESD静电保护二极管

    在电路正常工作时,ESD保护管属于高阻状态,不会影响线路正常运行;当电路中出现异常过压并达到击穿电压时,ESD保护器件由高阻态变为低阻态,给瞬态电流提供低阻抗导通路径,把异常高压箝制在一个安全范围内,进而达到保护被保护IC或线路;同时当异常过压消失,ESD恢复至高阻态,电路正常运行。

    如:
    在这里插入图片描述

    5.TVS与ESD使用方法异同点

    TVS管保护是靠击穿,击穿后相当于短路,一般承受电流能力大;ESD是电容放电加钳位,过电流能力不强。
    TVS的开启电压较高,动作时间也太慢,无法单独满足ESD保护的需要。
    ESD主要用于板级保护,TVS一般用于初级和次级保护。

    问:哪些接口需要做防雷接口?-----一般有通信的接口,网络接口,CAN总线接口,视频接口等等。
    答:受雷击的一般是建筑物,室外设备是首先遭受,然后就是计算机网络系统,容易受损坏的是调制解调设备,路由器,交换机,集线器,网卡,UPS等,包括监控设备,移动通信的基站,天线等设备,考虑自己的通讯接口是否是这些类型等等。

    防静电,防浪涌是两个方向 ,前者电流小,电压高,后者电流大电压小,工作原理也有区别。

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  • esd保护原理

    千次阅读 2010-01-08 11:00:00
    ESD保护对高密度、小型化和具有复杂功能的电子设备而言具有重要意义。本文探讨了采用TVS二极管防止ESD时,最小击穿电压和击穿电流、最大反向漏电流和额定反向关断电压等参数对电路的影响及选择准则,并针对便携消费...

    ESD保护对高密度、小型化和具有复杂功能的电子设备而言具有重要意义。本文探讨了采用TVS二极管防止ESD时,最小击穿电压和击穿电流、最大反向漏电流和额定反向关断电压等参数对电路的影响及选择准则,并针对便携消费电子设备、机顶盒、以及个人电脑中的视频线路保护、USB保护和RJ-45接口等介绍了一些典型应用

     

    随着移动产品、打印机、PC,DVD、机顶盒(STB)等产品的迅速发展,消费者正要求越来越先进的性能。半导体组件日益趋向小型化、高密度和功能复杂化,特别是像时尚消费电子和便携式产品等对主板面积要求严格的应用很容易受到静电放电的影响。一些采用了深亚微米工艺和甚精细线宽布线的复杂半导体功能电路,对电路瞬变过程的影响更加敏感,将导致上述的问题更加激化。

     

    ESD保护原理

     

    电路保护元件存在几种技术,当选择电路保护元件时,若设计师选择不当的保护器件将只能提供错误的安全概念。电路保护元件的选择应根据所要保护的布线情况、可用的电路板空间以及被保护电路的电特性来决定。此外,了解保护元件的特性知识也非常必要,需要考虑的重要因素之一是器件的箝位电压。所谓箝位电压是在ESD器件里跨在瞬变电压消除器(TVS)上的电压,它是被保护IC的应变电压。。图1:NZQA系列SOT-53封装应用.

     

     

    因为利用先进工艺技术制造的IC电路里氧化层比较薄,栅极氧化层更易受到损害。这意味着较高的箝位电压将在被保护IC器件上产生较高的应变电压,并且增加了失效的概率。

     

    很多保护元件都被设计成可吸收大量的能量,由于元件结构或设计上的原因也导致其具有很高的箝位电压。由于变阻器的箝位电压太高,他们不能够提供有效的ESD保护。此外,由于变阻器的高电容他们也不能给高速数据线路提供保护。TVS二极管正是为解决此问题而产生的,它已成为保护便携电子设备的关键性技术。

     

    TVS二极管是专门设计用于吸收ESD能量并且保护系统免遭ESD损害的固态元件。如果应用得当,TVS二极管将限制跨在被保护器件上的电压刚好高过额定工作电压,但是却远低于破坏阈值电压。图2: RJ-45数据线保护.

     

    TVS相关参数

     

    处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法是将瞬时电流从敏感器件引开。TVS二极管在线路板上与被保护线路并联,当瞬时电压超过电路正常工作电压后,TVS二极管便发生雪崩,提供给瞬时电流一个超低电阻通路,其结果是瞬时电流通过二极管被引开,避开被保护器件,并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。当瞬时脉冲结束以后,TVS二极管自动回复高阻状态,整个回路进入正常电压。许多器件在承受多次冲击后,其参数及性能会发生退化,而只要工作在限定范围内,二极管将不会发生损坏或退化。

     

    从以上过程可以看出,在选择TVS二极管时,必须注意以下几个参数的选择:


    1. 最小击穿电压VBR和击穿电流IR。VBR是TVS最小的击穿电压,在25℃时,低于这个电压TVS是不会发生雪崩的。当TVS流过规定的1mA电流(IR)时,加于TVS两极的电压为其最小击穿电压VBR。按TVS的VBR与标准值的离散程度,可把VBR分为5%和10%两种。对于5%的VBR来说,VWM=0.85VBR;对于10%的VBR来说,VWM=0.81VBR。为了满足IEC61000-4-2国际标准,TVS二极管必须达到可以处理最小8kV(接触)和15kV(空气)的ESD冲击,有的半导体生产厂商在自己的产品上使用了更高的抗冲击标准。对于某些有特殊要求的便携设备应用,设计者可以按需要挑选器件。

     

    2.图3:视频线路保护. 最大反向漏电流ID和额定反向关断电压VWM。VWM这是二极管在正常状态时可承受的电压,此电压应大于或等于被保护电路的正常工作电压,否则二极管会不断截止回路电压;但它又需要尽量与被保护回路的正常工作电压接近,这样才不会在TVS工作以前使整个回路面对过压威胁。当这个额定反向关断电压VWM加于TVS的两极间时它处于反向关断状态,流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流ID。

     

    3. 最大箝位电压VC和最大峰值脉冲电流IPP。当持续时间为20mS的脉冲峰值电流IPP流过TVS时,在其两端出现的最大峰值电压为VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC与VBR之比称为箝位因子,一般在1.2~1.4之间。VC是二极管在截止状态提供的电压,也就是在ESD冲击状态时通过TVS的电压,它不能大于被保护回路的可承受极限电压,否则器件面临被损伤的危险。

     

    4. Pppm额定脉冲功率,这是基于最大截止电压和此时的峰值脉冲电流。对于手持设备,一般来说500W的TVS就足够了。最大峰值脉冲功耗PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功耗值。在给定的最大箝位电压下,功耗PM越大,其浪涌电流的承受能力越大。在给定的功耗PM下,箝位电压VC越低,其浪涌电流的承受能力越大。另外,峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。而且,TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的,器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0.01%。如果电路内出现重复性脉冲,应考虑脉冲功率的累积,有可能损坏TVS。图4:SIM卡保护.

     

    5. 电容量C。电容量C是由TVS雪崩结截面决定的,是在特定的1MHz频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比,C太大将使信号衰减。因此,C是数据接口电路选用TVS的重要参数。电容对于数据/信号频率越高的回路,二极管的电容对电路的干扰越大,形成噪声或衰减信号强度,因此需要根据回路的特性来决定所选器件的电容范围。高频回路一般选择电容应尽量小(如LCTVS、低电容TVS,电容不大于3pF),

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esd保护二极管原理